Чёрные Дыры и реальность

     Сегодня очень часто в научно-популярных статьях в интернет изданиях можно встретить новости про Черные Дыры, про то, что сверхмассивные объекты, которые зарегистрированы в центральной области многочисленных галактик, с высокой вероятностью и есть эти самые Черные Дыры (ЧД). Также получили распространение фантазии о падении в Черную Дыру и пролет в другую вселенную через горловину. Все это видимо возбуждает и интересует массового читателя.

Хотелось бы внести небольшой скепсис в такую радужную интерпретацию, граничащую с фантастикой. Конечно, очень сложно говорить о таких вещах без формул вообще, но постараюсь это сделать. Также для любознательных перечислю те случаи, когда теоретики, оставаясь в рамках научных концепций, все-таки подвергают сомнению само существование таких экзотических объектов. Для этого сначала внесем небольшую ясность в понятие Черная Дыра. Я буду рассматривать простой случай ЧД: она не вращается и сферически симметричная. Под термином ЧД подразумевают, вообще говоря, два разных объекта и это вносит некоторую путаницу.

Классическая Черная Дыра или иногда говорят «Вечная» или «Первичная» Черная Дыра - это объект вселенной, у которой нет материальной поверхности, а 2-х мерная поверхность с радиусом r_g, которую называют горизонтом событий, находится в вакууме. Кроме того такой объект имеет особенность в центре r=0, называемую сингулярностью (сильной сингулярностью), где все падающее вещество уничтожается приливными силами. Первичные Черные Дыры могли, как предполагают, образоваться в момент Большого Взрыва, об этом есть хорошая популярная лекция Сергея Попова https://www.youtube.com/watch?v=NhvK1oOLs_E.

Классическая Черная Дыра ведет себя так, как будто это обычный массивный объект массой M, только без вещества вообще, то есть в чистом виде это геометрический объект, и он есть частный случай псевдоримановой геометрии, которая описывается метрическими компонентами, удовлетворяющими уравнениям Гильберта-Эйнштейна в пустоте с определенными краевыми условиями и условиями симметрии.

Другой объект – это Коллапсар – массивный объект очень похожий на ЧД. Это нормальный физический объект, имеющий структуру, с точки зрения удаленного наблюдателя, при этом считается, что наблюдатель находится в почти плоском пространстве-времени. Одна из характеристик Коллапсара – гравитационный радиус, который совпадает с r_g (если бы он превратился в классическую ЧД), и 2-х мерная поверхность с радиусом r_g находится внутри вещества, при этом все внутренние слои приближаются бесконечно долго асимптотически к своему пределу, а поверхность объекта к горизонту событий r_g=2MG/c^2 . В данной формуле, кроме фундаментальных постоянных присутствует M – масса объекта.

Никакой сингулярности наблюдатель не видит и отличить Коллапсар от «Вечной» ЧД весьма проблематично, потому что на очередное экспериментальное подтверждение, что поверхность у сверхмассивного объекта не наблюдается вплоть до гравитационного радиуса плюс очень малая добавка, скептики всегда могут возразить, что раз не получен сигнал от внутренней части «Вечной» Черной Дыры (за горизонтом событий), то доказательством это служить не может. А, как известно, ни свет, ни любой сигнал не может выйти из под горизонта событий и достигнуть удаленного наблюдателя. По сути дела, надо прожить бесконечность и один день (одну минуту), чтобы такому наблюдателю удостовериться, что Черные Дыры существуют.

Традиционно, сторонники Общей Теории Относительности и существования Черных Дыр возражают, что можно мысленно перейти к системе отсчета, связанной с падающей материей, и сопутствующий наблюдатель не увидит ни поверхности, ни горизонта событий и благополучно за считанные минуты достигнет центральной области, где будет разорван приливными силами. В более экзотических фантазиях, он пройдет предполагаемую горловину и вынырнет в другой вселенной, что выглядит еще более возбуждающе. Таким образом, поскольку нет причин для остановки коллапса вещества (а их на сегодняшний момент не найдено для объектов с массой выше 3 массы Солнца, когда давление газа уменьшается в результате снижения интенсивности термоядерной реакции в звездах), в падающей системе отсчета данный Коллапсар превратится в первый объект – Классическую «Вечную» Черную Дыру.

Для неподготовленного читателя, у которого уже закипел мозг, можно просто остановиться на том положении, что наблюдения сильно зависят от системы отсчета, и пока мы находимся на месте удаленного наблюдателя, подтвердить строгое существования ЧД именно в классической виде, весьма затруднительно.

Почему же в Общей Теории Относительности (ОТО) есть решения, которые дают такие объекты, как Классические Черные Дыры, но при этом и объекты очень похожие на ЧД? Здесь мне придется сделать пояснения, которые будут понятны скорее всего специалистам. Уравнения решаются в локальной карте, которую задают четыре дополнительных координатных условия. Решая уравнения ОТО в одной локальной карте, – в стандартной Шварцшильдовской, - мы получаем не Черные Дыры, а обычные статические (белые карлики, нейтронные звезды..) или коллапсирующие объекты без сингулярности. Если же решать их другой карте, например, в карте Леметра или Крускала, при тех же граничных условиях возникает решение с неустранимой сингулярностью в центре. Обычно говорят в таких случаях, что мы не знаем топологию всего пространства-времени и требуются дополнительные наблюдения. Таким образом, отсутствие «Вечных» Черных Дыр также не противоречит ОТО. Указанная сингулярность в центре, к слову, есть серьезная трудность для теоретиков, потому что уравнения Гильберта-Эйнштейна там не работают. И требуются другие теории или расширения ОТО.

Однако не стоило все это так долго писать и излагать общепринятую на сегодня картину мира, если бы не существовали некоторые другие взгляды на концепцию Черных Дыр, причем вполне научные.

Далее я остановлюсь на трех из них.

1. Один из противников ЧД был академик Анатолий Логунов, который создал полевую теорию РТГ (Логунов А.А. Релятивистская теория гравитации. – М. Наука, 2006) , на базе геометрии Минковского. Надо признать, что в своей стране (СССР и РФ) его теория не получила распространения, даже как альтернативная, и почти неизвестна за рубежом. Суть его теории в том, что тензор гравитационного поля, который возникает при наличии вещества, вложен в псевдоевклидову геометрию, которая никуда не исчезает, в отличие от положений ОТО. Именно эта фундаментальная геометрия (пространство Минковского) и задает топологию пространства-времени, в которой нет дырок, а на горизонте событий образуется сингулярность, неустранимая преобразованием координат. Превращение Коллапсара в Черную Дыру препятствует само гравитационное поле, которое в данном случае приобретает свойства отталкивания. А в остальном теория очень близка к ОТО и часть уравнений совпадает с уравнениями Эйнштейна. Соответственно многие расчеты в слабых полях в РТГ согласуются с экспериментальными наблюдениями.

2. В рамках ОТО критически относится к Классическим ЧД Тревор Маршалл (Trevor W. Marshall, Max K. Wallis ) из Британии (https://arxiv.org/abs/1303.5604) . Он более дотошно рассмотрел решение Оппенгеймера-Снайдера ( о безграничном сжатии пылевого облака) и увидел следующее: с точки зрения внешнего наблюдателя пылевое облако, которое изначально имело однородную плотность, в далеком будущем превращается в Коллапсар, имеющий такое строение, что большая часть вещества сосредоточена на поверхности, приближенной к горизонту событий. А давление фактически создает само гравитационное поле внутри сферического объекта. У автора и его коллег возникло предположение, что таким образом могут возникнуть Сверхмассивные Белые Карлики или Сверхмассивные Нейтронные Звезды, имеющие вполне материальную поверхность. Данная гипотеза скорее всего проверяется в результате более скрупулезных исследований с помощью Телескопа Горизонта Событий, который должен скоро дать реальные результаты. На что авторы и уповают. Кроме этих выводов британские ученые обнаружили в решении Оппенгеймера-Снайдера неоднозначность. Поскольку коллапс облака это задача Коши, возникают еще решения с теми же начальными данными на той же поверхности Коши, которые приводят к совсем другому внутреннему решению той же самой задачи.

3. В рамках ОТО с учетом гипотезы Хокинга об испарении Черных Дыр Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton), профессор из Университета Северной Каролины в 2014 в двух статьях попыталась показать невозможность образования Черных Дыр: (https://arxiv.org/abs/1406.1525v1, https://arxiv.org/abs/1409.1837 ). Лаура рассматривает коллапс пыли по Оппенгеймеру-Снайдеру и делает поправку на излучение Хокинга, которое на границе звезды дает пару частиц (с положительной и отрицательной энергией) в результате поляризации вакуума. Положительная остается в вакууме, а отрицательная уходит в недра звезды. Частицы из пары с отрицательной энергией внутри создают "тепловую баню" с простым состоянием вещества p=ρ/3 (давление=плотность делить на 3). Именно это давление и останавливает коллапс до горизонта и происходит отскок. Автор дает оценку минимального размера звезды данной массой.

Надо сказать, что такие взгляды не являются широко распространенными в научном сообществе. Тем не менее, ученые еще спорят с общепринятой концепцией возникновения Черных Дыр и ищут причины, почему вещество не должно уйти за горизонт событий. Скептически относительно возможности существования ЧД высказывался сам Альберт Эйнштейн и в 1939 году даже написал статью, где он сделал вывод, что вещество не может концентрироваться произвольным образом, иначе физическая скорость его движения достигнет скорости света. Статья несколько устарела и наверное содержит ошибки, но её идея и дух пока живет.

Обычно теоретики считают, что можно узнать, есть ли твердая поверхность у такого сверхмассивного объекта, по энерговыделению падающего вещества, поскольку скорость падения будет почти равна скорости света. И отсутствие такого сильного выделения энергии может говорить о существовании Черных Дыр. Но с другой стороны такой удар и сам процесс взрыва будет длиться секунды в собственной системе отсчета, а это с точки зрения удаленных наблюдателей может растянуться на месяцы наблюдений.